単一π造形システムの物性解明

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: π造形科学: 電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出
• 研究課題/領域番号: 26102013
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 木口 学 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (70313020)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• キーワード: 単分子伝導

研究実績の概要

本年度は主に金電極表面上におけるスマネン分子のスイッチング現象について研究を展開した。溶液中にて試料調整を行い超高真空STMを用いて計測を行った。まず、金表面上にスマネン分子膜を作製しSTM観測を行った。バイアス電圧に応じて、二種類の構造が観測された。それぞれの構造について、理論計算と組み合わせることで、基板に対する分子の配向、および基板に対する配列を決定することに成功した。さらに、tipを分子に近づけることで分子の基板に対する配向をスイッチングさせることにも成功した。スイッチング現象はバイアス電圧が小さい時に頻繁に観測された。これは従来の電流による構造変化によって説明できない新しい現象である。現在の所、バイアス電圧が小さい時にはtipと分子の距離が近くなり、機械的な力によって反転現象が観測されたと考えている。併せて理論計算を行うことで、反転に必要な活性化障壁がtipを分子に近づけると低減することが明らかとなり実験結果を再現する結果が得られている。
また、本年度は単分子接合の構造評価法の開拓も行った。具体的には光増強場を利用した表面増強ラマン散乱(SERS)と電気伝導度の同時計測装置を新たに構築した。電極を電子線微細加工で作製することで、単分子接合の安定性の向上、リーク電流の低減、電極の中空ブリッジに酸化物を使うことで、SERS計測で妨害となる蛍光シグナルの低減を行うなどの工夫を行い、BDT分子を用いて、世界で初めて単分子接合のSERS計測に成功した。I-V特性を解析し、金属と分子の波動関数の重なり（Coupling）、電極と分子軌道のエネルギーの差、伝導度と３つの情報を得た。並行して理論計算を行い、coupling, エネルギー差、伝導度と３つのパラメータを実験値と比較することで、吸着サイトを決定することができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

π造形分子であるスマネン分子を用いて、単分子スイッチという新たな機能を創出出来た。また、表面増強ラマンと電流ー電圧特性の同時計測により、今後作製する単一π造形システムに適用可能な単分子接合の構造解析法の開発に成功したから。

今後の研究の推進方策

新学術領域内で開発されたπ造形分子を用いて、様々な単分子接合を作製し、その機能探索を強力に推し進める。併せて、今年度開発した分光法を用いて、作製した単分子接合における機能創出の機構を解明する。得られた結果を合成の研究者に還元することで、さらなる高機能化をはかる。

研究成果

• [雑誌論文] Site selection in single-molecule junction for highly reproducible molecular electronics (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kaneko, D. Murai, S. M. Gonzalez, H. Nakamura, Y. Komoto, S. Fujii, T. Nishino, K. Ikeda, K. Tsukagoshi, M. Kiguchi,
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 ページ: 1294-1300
  • DOI: 10.1021/jacs.5b11559
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of the Molecule-Metal Interface on Surface Enhanced Raman Scattering of 1,4-Benzenedithiol Molecule (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Suzuki, S. Kaneko, S. Fujii, S. M. Gonzalez, T. Nishino, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 1038-1042
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b10385
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Organometallic Molecular Wires as Versatile Modules for Energy-Level Alignment of the Metal-Molecule-Metal Junction (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Sugimoto, Y. Tanaka, S. Fujii, T. Tada, M. Kiguchi, M. Akita
  • 雑誌名: Chem. Comm. 巻: 52 ページ: 5796-5799
  • DOI: 10.1039/C6CC01705C
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface enhanced Raman scattering of single 1,4-benzendithiol molecular junction (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kaneko, D. Murai, S. Fujii, M. Kiguchi
  • 雑誌名: Int. J. Mod. Phys. B 巻: 17 ページ: 21254-21260
  • DOI: 10.1039/c4cp04906c
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High electronic couplings of single mesitylene molecular junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Komoto, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi
  • 雑誌名: Beilstein J. Nanotech. 巻: 6 ページ: 2431-2437
  • DOI: 10.3762/bjnano.6.251
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical conduction and structure of copper atomic junctions in the presence of water molecules (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Li, F. Demir, S. Kaneko, S. Fujii, T. Nishino, A. Saffarzadeh, G. Kirczenow, M. Kiguchi
  • 雑誌名: PCCP 巻: 17 ページ: 32436-32442
  • DOI: 10.1039/C5CP05227K
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Mechanical Strain on Electric Conductance of Molecular Junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Inatomi, S. Fujii, S. M. Gonzalez, H. Masai, Y. Tsuji, J. Terao, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 119 ページ: 19452-19457
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b04386
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Symmetry of Single Hydrogen Molecular Junction with Au, Ag and Cu Electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Li, S. Kaneko, S. Fujii, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 119 ページ: 19143-19148
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b04720
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single naphthalene and anthracene molecular junctions using Ag and Cu electrodes in ultra high vacuum (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Fujii, S. Kaneko, L. Chenyang, and M. Kiguchi
  • 雑誌名: Appl. Surf. Sci. 巻: 354 ページ: 362-366
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.05.071
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface enhanced Raman scattering of molecules in metallic nanogaps (2015)
  • 著者名/発表者名: S. M. Gonzalez, R. Matsushita, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Optics 巻: 17 ページ: 114001(1-14)
  • DOI: 10.1088/2040-8978/17/11/114001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rectifying electron-transport properties through stacks of aromatic molecules inserted into a self-assembled cage (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Fujii, T. Tada, Y. Komoto, T. Osuga, T. Murase, M. Fujita, M. Kiguchi
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 ページ: 5939-5947
  • DOI: 10.1021/jacs.5b00086
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Simultaneous Measurement of Electrical Conductance and Thermopower of Single Benzenedithiol Molecular Junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kaneko, Y. Nakamura, R. Matsushita, S. M. Gonzalez, M. Kiguchi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 8 ページ: 065201(1-4)
  • DOI: 10.7567/APEX.8.065201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Highly conductive single naphthalene and anthracene molecular junction with well-defined conductance (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Liu, S. Kaneko, Y. Komoto, S. Fujii, and M. Kiguchi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 ページ: 103103(1-4)
  • DOI: 10.1063/1.4914501
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface Enhanced Raman Scattering of a Single Molecular Junction (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Matsushita, M. Kiguchi
  • 雑誌名: PCCP 巻: 17 ページ: 21254-21260
  • DOI: 10.1039/C4CP04906C
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Formation of Single Cu Atomic Chain in Nitrogen Atmosphere (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Kaneko, Y. Nakamura, M. Kiguchi, J. Zhang, X. Yang, J. Zhao
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 119 ページ: 862-866
  • DOI: 10.1021/jp510916h
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photochromic reaction of the diaryethene derivative on Au nanoparticles (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Takahashi, S. Kaneko, S. Fujii and M. Kiguchi
  • 雑誌名: Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 巻: 6 ページ: 015006(1-5)
  • DOI: 10.1088/2043-6262/6/1/015006
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Temperature Dependence of the Thermopower and its Variation of the Au Atomic Contact (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Matsushita, S. Kaneko, S. Fujii, H. Nakamura and M. Kiguchi
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 26 ページ: 045709-(1-6)
  • DOI: 10.1088/0957-4484/26/4/045709
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Extension of photopolymerization region from the nanoscale to the macroscopic scale using a chemically amplified photoresist (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Takahashi, S. Kaneko, S. Fujii and M. Kiguchi
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 88 ページ: 277-282
  • DOI: 10.1246/bcsj.20140243
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] SERSとI-Vの同時計測による金属―分子局所界面構造の決定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 木口学
  • 学会等名: 日本化学会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2016-03-27
  • 招待講演
• [学会発表] 界面制御に基づく単分子接合の新機能の開拓およびその発現機構の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 木口学
  • 学会等名: 日本化学会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2016-03-26
  • 招待講演
• [学会発表] Single Molecular Devices using Supermolecules (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kiguchi
  • 学会等名: Pacific Chem 2015
  • 発表場所: ホノルル
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ベンゼンジチオール単分子のSERSと電流―電圧特性の同時計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 木口学，金子哲, 村井大午
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2015
  • 発表場所: 埼玉
  • 年月日: 2015-11-28
• [学会発表] 単分子接合のSERSと電流―電圧特性の同時計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 木口学，金子哲, 村井大午
  • 学会等名: 分子アーキテクトニクス研究会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2015-10-24
• [学会発表] 金属と分子の界面構造を舞台とした単分子物性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 木口学
  • 学会等名: 高分子討論会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2015-09-15
• [学会発表] Single Molecular Device using STM (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kiguchi
  • 学会等名: ECN-2015
  • 発表場所: オデッサ(ウクライナ)
  • 年月日: 2015-09-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 単分子接合におけるダイオード、スイッチング特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 木口学
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会
  • 発表場所: 柏
  • 年月日: 2015-06-24
  • 招待講演